Laser lạnh là gì?

Khái niệm laser hoạt động ở nhiệt độ thấp không phải là mới: laser thứ hai trong lịch sử là laser đông lạnh. Ban đầu, khái niệm này khó có thể đạt được hoạt động ở nhiệt độ phòng, và sự nhiệt tình đối với công việc ở nhiệt độ thấp bắt đầu vào những năm 1990 với sự phát triển của laser và bộ khuếch đại công suất cao.

Ở công suất caonguồn laser, các hiệu ứng nhiệt như mất phân cực, thấu kính nhiệt hoặc uốn cong tinh thể laser có thể ảnh hưởng đến hiệu suất củanguồn sáng. Thông qua làm mát ở nhiệt độ thấp, nhiều hiệu ứng nhiệt có hại có thể được ngăn chặn hiệu quả, nghĩa là môi trường khuếch đại cần được làm mát đến 77K hoặc thậm chí 4K. Hiệu ứng làm mát chủ yếu bao gồm:

Độ dẫn điện đặc trưng của môi trường khuếch đại bị ức chế đáng kể, chủ yếu là do quãng đường tự do trung bình của sợi dây tăng lên. Kết quả là, độ dốc nhiệt độ giảm đáng kể. Ví dụ, khi nhiệt độ giảm từ 300K xuống 77K, độ dẫn nhiệt của tinh thể YAG tăng lên gấp bảy lần.

Hệ số khuếch tán nhiệt cũng giảm mạnh. Điều này, cùng với việc giảm độ dốc nhiệt độ, dẫn đến giảm hiệu ứng thấu kính nhiệt và do đó giảm khả năng vỡ do ứng suất.

Hệ số nhiệt quang học cũng giảm, làm giảm thêm hiệu ứng thấu kính nhiệt.

Tiết diện hấp thụ của ion đất hiếm tăng chủ yếu là do giảm độ giãn nở do hiệu ứng nhiệt. Do đó, công suất bão hòa giảm và độ khuếch đại laser tăng. Công suất bơm ngưỡng giảm, và có thể thu được các xung ngắn hơn khi công tắc Q hoạt động. Bằng cách tăng độ truyền dẫn của bộ ghép nối đầu ra, hiệu suất dốc có thể được cải thiện, do đó hiệu ứng suy hao khoang ký sinh trở nên ít quan trọng hơn.

Số lượng hạt của tổng mức thấp của môi trường khuếch đại ba mức gần đúng bị giảm, do đó công suất bơm ngưỡng giảm và hiệu suất năng lượng được cải thiện. Ví dụ, Yb:YAG, phát ra ánh sáng ở bước sóng 1030nm, có thể được xem là hệ thống ba mức gần đúng ở nhiệt độ phòng, nhưng là hệ thống bốn mức ở 77K. Er: Điều tương tự cũng đúng với YAG.

Tùy thuộc vào môi trường khuếch đại, cường độ của một số quá trình dập tắt sẽ bị giảm.

Kết hợp với các yếu tố trên, hoạt động ở nhiệt độ thấp có thể cải thiện đáng kể hiệu suất của laser. Đặc biệt, laser làm mát ở nhiệt độ thấp có thể đạt được công suất đầu ra rất cao mà không có hiệu ứng nhiệt, tức là có thể đạt được chất lượng chùm tia tốt.

Một vấn đề cần lưu ý là trong tinh thể laser làm lạnh đông, băng thông của ánh sáng bức xạ và ánh sáng hấp thụ sẽ bị giảm, do đó phạm vi điều chỉnh bước sóng sẽ hẹp hơn, độ rộng vạch phổ và độ ổn định bước sóng của laser bơm sẽ nghiêm ngặt hơn. Tuy nhiên, hiệu ứng này thường hiếm khi xảy ra.

Làm lạnh bằng phương pháp đông lạnh thường sử dụng chất làm lạnh, chẳng hạn như nitơ lỏng hoặc heli lỏng, và lý tưởng nhất là chất làm lạnh được lưu thông qua một ống gắn với tinh thể laser. Chất làm lạnh được bổ sung theo thời gian hoặc được tái chế theo vòng kín. Để tránh hiện tượng đông đặc, thường cần đặt tinh thể laser trong buồng chân không.

Khái niệm tinh thể laser hoạt động ở nhiệt độ thấp cũng có thể được áp dụng cho bộ khuếch đại. Titan sapphire có thể được sử dụng để chế tạo bộ khuếch đại phản hồi tích cực, với công suất đầu ra trung bình tính bằng hàng chục watt.

Mặc dù các thiết bị làm mát bằng nhiệt độ thấp có thể làm phức tạphệ thống laser, các hệ thống làm mát phổ biến hơn thường ít đơn giản hơn và hiệu quả của phương pháp làm mát bằng nhiệt độ thấp cho phép giảm bớt phần nào sự phức tạp.